第1章 绪论
在地球上，冰冻圈是指地球表层具有一定厚度且连续分布的负温圈层，也称为冰雪圈、冰圈或冷圈。冰冻圈内的水体应处于冻结状态。大气冰冻圈在大气圈内位于 0℃线高度以上的对流层和平流层，如降雪、冰雹等；陆地冰冻圈是寒区在岩石圈内从地面向下一定深度（数十米至上千米）的表层岩土，如冰川、冻土等；海洋冰冻圈在水圈主要位于两极海表上下数米至上百米，以及周边大陆架向下数百米范围内，如海冰、冰架、海底多年冻土等。
冰冻圈不仅存在于地球上，也同样存在于其他行星上，尤其是在太阳系的外围，大量卫星和矮行星的主要组成成分是水，而不像地球以金属元素为主。在极低的温度条件下，水以固体冰的形式存在，冰冻圈是这些冰卫星的主要组成部分，所以这些卫星都是冰质星体。*典型的例子是冥王星（Pluto）和木星的第二颗卫星欧罗巴（Europa），它们的组成成分均以水冰为主。在地球的表面温度和大气压力条件下，水在地球表面是液、固、气三相共存的。但在太阳系外围的固体星球上，因为温度太低，水只以固、气两态存在。因为这些冰行星或冰卫星的温度极低、大气极其稀薄，因此其他行星冰冻圈的性质与地球冰冻圈的性质有很大的不同。
在极端低温条件下，不仅水分完全以固体冰的形式存在，其他大气成分也将冻结。例如，火星大气的主要成分是 CO2，在火星极地的冬季，火星表面温度低于 –120 ℃，大气中的 CO2变成干冰，并沉降到火星表面。当夏季到来时，温度升高，干冰升华为 CO2进入大气层。冥王星表面温度大约是 –230℃，低于 N2的冰点温度，因此冥王星表面有氮冰川存在。
因此，当我们学习行星冰冻圈时，需要特别关注冰冻圈的两个概念。第一，在极端低温条件下，其他行星水冰的性质与地球上水冰的性质有很大的不同。第二，行星冰冻圈不仅包括水冰冻圈，还包括其他成分的冰冻圈。因此，行星冰冻圈的概念将大大超出地球冰冻圈的内涵。为了更好地理解行星冰冻圈，从水*基本的物理性质讲起。
1.1 水的相图和相态物理特性
如图1.1所示，水的相态是由温度和压力共同决定的。当气压等于 610.75 Pa，并且温度等于 273.16 K（0.01℃）时，水的固、液、气三个相态共存。如果温度或气压偏离三相点（triple point）的数值，水只能以两个相态的形式存在。在太阳系内，地球是唯一在表面有水的固、液、气三相共存的星球。但这是指在全球范围内，并不是指在某一区域，因为地球表面任何区域都无法同时满足水的三相点的温度和气压。在地球表面，气压基本在 1个标准大气压左右，远高于三相点的气压。在热带地区，地表温度常年维持在 30 ℃左右，所以水主要以液态和气态形式存在。而在两极地区，尤其是冬季，温度可达–50 ℃，因此水以固态和气态的形式存在。
图1.1 水的相图
如果大气压维持在 1个标准大气压（1013.15 hPa）附近，当温度升高到 100 ℃时，液态水开始沸腾，直至完全蒸发为止。由图1.1可知，在 1个标准大气压条件下，温度超过 100 ℃，水将完全以气态形式存在。但如果压力和温度同时升高，液态水将仍然存在，直到温度达到 374.3℃和压力等于 220.5个标准大气压以上时（水的临界点），水将变成介于气态和液态之间的超临界相态。超临界水的物理性质兼具液态水和气态水的性质，是一种稠密的气态水。但它不同于一般的水汽，其密度与液态水接近，黏度比液态水小，扩散速度比液态水快，所以有较好的流动性和扩散性能。
如果地球海洋的水分完全蒸发进入大气层中，其压力相当于约 250个标准大气压，由于水汽的强温室效应，地表温度完全可以达到水的临界温度之上。虽然该现象在地球上还没有出现过，但有可能在金星上出现过。一般认为，金星在 30亿年前与地球一样曾存在海洋，但当太阳辐射逐渐变强之后，其发生了温室逃逸，也就是液态水完全蒸发进入了大气层。水汽被光解，氢原子逃逸到太空。现在金星表面的气温高达 480 ℃，已完全没有液态水存在。太阳系外行星（简称系外行星） GJ 1214b是一颗质量比地球大但密度比地球小的超级地球。一些观点认为 GJ 1214b是一个水世界，其海洋深度可达数千千米。简单的计算表明，其表面温度接近 300 ℃。如果是这样，其大气中也将含有大量水汽，接近超临界状态。
如果温度持续低于水的临界点温度，但压力增加到上万个标准大气压时，如图1.1所示，水将进入多种不同形式的固态冰相态。这些冰相态不同于日常所见到的冰，而是物理特性介于固态冰和液态水的超流体。这些不同的冰的相态与不同的压力和温度条件下水分子结构的变化有关，涉及复杂的微观物理过程。这里不做进一步介绍。地球冰冻圈不用过多关注这些复杂的冰相态结构，但对于太阳系外行星，这些冰相态结构并非罕见的。以系外行星 GJ 1214b为例，如果其海洋深度大于 1000 km，底层海水所承受的压力将大于 10万个标准大气压，虽然海底的温度未必低于 0 ℃，但在强大的压力作用下，水将进入超流体状态。那里的冰冻圈与我们所认识的地球冰冻圈将完全不一样。
行星冰冻圈有许多与地球冰冻圈不同的有趣现象。前文曾提到过，冥王星和欧罗巴卫星（木卫二）主要是由水冰组成的，其壳层就是冰壳，而不像地球的岩石地壳。在地球上，一块冰在经历了足够长时间后会逐渐升华。读者也许会担心，这些冰行星或冰卫星是否也会逐渐升华。实际上，这种情况并没有发生，这是因为在极低温度下，水分子很少能够脱离冰面。根据克拉珀龙-克劳修斯方程，在极低温度下，饱和水汽压很低，也就是说，冰的升华几乎可以忽略不计。另外，在极低温度下，水冰变得异常坚硬。在材料工程学中，人们通常把金刚石的硬度设为 10（也就是莫氏硬度），其他材料的硬度为 1～ 10。据测量，–50 ℃时水冰的硬度是 6，说明在极端低温下，水冰是相当坚硬的。
1.2 地球水分的起源及其冰冻圈演化
1.2.1 地球水分的起源
地球上水分的起源目前还没有定论。*初的观点认为，水分在地球形成时就有，也就是说，在星子不断汇集、形成地球的过程中，其是富含水分的。这一观点*大的问题是，地球在形成之初是极端高温的，其表面呈熔融状态，地球表面的水分会蒸发并逃逸。后来的观点认为，原始地球是贫水的，地球的水分是由行星轨道迁移带来的。根据这种观点，当质量较大的行星，如木星和土星由于轨道不稳定而向太阳系内侧迁移时，太阳系外围富含水的小星体和彗星被带到太阳系内侧，这些小星体与地球碰撞，从而把水带到了地球。这一观点的一个重要证据是，地球在 40亿年前确实经历过被大量的小星体轰击，这便是著名的晚期大轰击事件（Late Heavy Bombardment）。
但是近期的同位素分析研究表明，地球水分的氢、氘比例与彗星的同位素比例并不一致，而且地球*早的岩石（锆石）是在有水的环境中形成的。这些证据表明，形成地球的星子是富含水的。虽然地球*初的高温使得其表面水分大量逃逸，但当地球表面冷却后，排气作用可使得地球内部的水分在表面汇集，形成今天的海洋。而后期彗星等撞击带来的水分是少量的。
1.2.2 冰雪地球事件
回顾地球 46亿年的历史，气候的总体趋势是不断变冷（图1.2），而且自地球形成到 25亿年前这段时间内，除大约 30亿年前的一段较短时间外，地球上基本没有冰河期存在，两极地区也很可能没有冰盖，地球冰冻圈很可能仅存在于大气层中。图1.2也表明，早期地球平均表面温度较现在高得多，氧、硅同位素等其他地质证据也支持这一结论。根据太阳和恒星演化理论， 43亿和 28亿年前的太阳比今天的太阳分别暗 25%和 20%左右，那么那个时期地球平均表面温度应该比现在低得多。为什么早期地球表面温度反而比现在还高？这便是著名的暗弱太阳问题（也被称为暗弱太阳悖论， Faint Young Sun Paradox），是前寒武纪气候研究中的一个经典问题。在诸多解释暗弱太阳问题的理论或假说中，一个较为流行的观点是地球早期大气拥有比现在浓度高的温室气体，也就是比现在的温室效应强，这也是 Sagan和 Mullen所提出的解释暗弱太阳问题的理论，其中高浓度的 CO2被认为是*重要的因素。
图1.2 过去 40亿年地球平均表面温度随时间变化示意图粗绿线表示温度，蓝粗线表示地球历史上大的冰川事件
地球历史上的 5次大的冰河期，其中两次为全球性冰期，分别发生在 24亿～21亿年前的古元古代和 8亿～6亿年前的新元古代冰河期。在冰河期达到巅峰期间，全球平均温度降低到 –50℃或更低，陆地被冰川所覆盖，海冰延伸到赤道地区，甚至赤道海洋也被冰封。这两次全球性的冰河期期间，地球冰冻圈扩展到*大的面积。这两次全球性的冰河期称为“雪球地球”（snowball Earth）。但实际上，当全球海洋被冰封后，水循环基本被切断，不会再产生降雪，而*初的积雪逐渐形成冰，所以地球实际上是被冰所覆盖，称其为“冰球地球”更合适一些，因此该英文也被翻译为“冰雪地球”。
这两次全球性冰期的证据主要来自 3个方面：①在现代所有的大陆上均发现了对应这两个时期的冰川残积层，而且根据古地磁的证据可以推测出当时的大陆基本都集中在热带地区。②两个时期都有条带型铁矿石存在，说明在条带型铁矿石形成之前海洋曾经被完全冰封过，因为只有在海洋完全被冰封、海洋中氧的来源被切断情况下，铁溶解于海水的现象才能发生（在无氧的情况下，铁是可以溶解于水的），而当海冰融化后，大气中的氧进入海洋，铁与氧发生反应生成氧化铁，从海水中沉淀下来，并形成条带型的铁矿石。③冰川残积层上面存在深厚的碳酸盐岩。
古元古代冰河期（也被称为休伦冰河时期）有可能是地球历史上持续时间*长的冰期。关于古元古代冰雪地球的形成，一般认为与大气中甲烷的氧化有关，氧化反应使得大气中甲烷浓度降低，温室效应减弱，地球变冷，从而诱发了古元古代冰雪地球的形成。
新元古代冰雪地球事件至少包括 3次冰雪地球形成和融化的循环，其中至少有两次冰雪地球事件是全球性的。新元古代冰雪地球的形成和融化与 CO2浓度的变化有关，是一个典型的碳酸盐-硅酸盐循环负反馈机制的结果。新元古代冰雪地球形成和融化分为 4个阶段：①热带裸露的地表导致强的风化反应， CO2浓度降低，温室效应减弱；②在冰雪—反照率正反馈的作用下，陆地冰川和海冰自高纬度向热带扩张，形成全球性冰封；③冰封后，风化反应中断，火山喷发的 CO2在大气中累积，温室效应增强；④当 CO2浓度足够高、温室效应变得足够强时，冰雪地球融化，地球恢复温和的气候态。整个过程正好代表了一次碳酸盐—硅酸盐循环，也反映了该循环的负反馈机制对气候稳定的作用。与古元古代冰雪地球的形成不同，新元古代冰雪地球的形成是由于 CO2浓度降低，而非 CH4浓度降低，它们的融化则都是由于 CO2浓度升高。
冰雪地球假说是一个对地球元古代时期气候变化的大胆设想。该假说一经提出便在地学界引起了巨大的反响和广泛的争论。争论的要点是海洋完全被冰封，还是热带海洋仍保留有开放的海域。虽然所有的证据都表明在元古代的早期和晚期确实出现过地球历史上*为严重的冰河期，但这些证据还不能充分证明地球在这两个时期被完全冰封过。就现有的证据而言，热带保留开放的洋面似乎更合理一些。如果地球确实被完全冰封数百万年，原始生命如何延续确实是一个很难回答的问题。
1.2.3 太阳系雪线和行星冰冻圈
太阳系有八大行星，自内向外依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星（图1.3）。在这 8颗行星中，内围的 4颗行星是固态星球，其质量和体积都比较小，而外围的 4颗行星是气态星球，其质量和体积比内围固态星球大很多。就像高山有雪线一样，太阳系也有雪线，如图1.3所示，太阳系雪线位于火星和木星之间。在雪线以外，水分以固态冰的形式稳定地存在；在雪线以内，水冰并不稳定，在太阳光的直接照射下，是能够升华或融化的。
图1.3 太
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